在分子尺度上利用电荷传输过程是一项内在的科学挑战，同时也是分子电子学研究的关键课题。在过去的几十年里，人们探索了多种分子结构和器件配置来构建分子器件，这些分子器件通常在稳态电荷传输下工作。非稳态电荷传输一直是化学动力学中最具挑战性的课题之一，也是动态分子电子器件的关键。 然而，由于缺乏设计非稳态过程的策略以及缺少动力学过程的定量理论描述，大大阻碍了这项研究的发展。

近日，天津大学理学院及天津市分子光电科学重点实验室的于曦教授和宁波工程学院的王乐佳副教授的研究提出了一种非稳态电荷传输机制的范例，可应用于开发具有时间和历史相关性能的动态分子器件。该研究发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），从新的角度解决了微观非稳态电荷传输基础研究的挑战。

图1 A. 蒽醌分子器件设计概念图. B. 实验和理论模拟电流-电压响应. C. 模拟在连续脉冲刺激下的类突触分子结的动态响应. D. 非稳态输运和动力学器件的定量研究方法。

他们以常见的具有质子耦合电子转移 (PCET)活性的蒽醌基团为研究对象，巧妙地利用扩散限制的慢质子/水转移耦合作为媒介，来调制分子器件中的快电子传输过程，实现了非稳态的电荷传输，使器件呈现出负微分电阻 (NDR)、动态滞后的电学响应。

通过结合瞬态电流表征和理论模型推演，他们提出一种适用于研究非稳态电荷传输动力学通用模型，并在其基础上开发了一类模拟器，可将其应用于模拟电学轨迹。进一步的结果展示了这种方法不仅可以将动态过程定量，还可以从原理上揭示出NDR和滞后的来源，复现实验结果。

图2 A. 非稳态动力学模型的示意图. B. 动态器件模拟器算法示意图. C. 模拟电流-电压响应. D.蒽醌分子器件类人工突触的动态电学响应

此外模型还起到预测作用，根据器件具有时间和历史相关的特性，他们预测了蒽醌分子器件具有突触可塑性，可模拟模拟神经元突触反应。相吻合的实验结果证明，他们设计思路降低了试错成本。

最重要的是，他们提出的模型依据基础概念，没有多余的框架限制，因此该方法不局限于单个体系，可以作为一种描述非稳态过程定量范式，指导、设计，解释相关动态过程。对非线性和类脑设备的开发提供了前所未有的思路。 

该研究工作于2023年6月7日以“Generic Dynamic Molecular Devices by Quantitative non-Steady State Proton/Water Coupled Electron Transport Kinetics”为题，为 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）在线发表。文章的共同第一作者是天津大学博士研究生王紫嫣和天津大学硕士研究生李哲阳。天津大学于曦研究员和宁波工程学院王乐佳副教授为共同通讯作者。这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委联合资助。